JP4594691B2 - ハイドレート生成装置 - Google Patents
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Description
本発明は、ハイドレート生成装置に関し、特に、安定な生成量および転化率でハイドレートを製造できるハイドレート生成装置に関する。
天然ガスは、環境負荷が低いことから、今後、需要が益々拡大することが予想される。
これまで、天然ガスを海上輸送したり、生産地や消費地で貯蔵したりするときは、液化天然ガス（ＬＮＧ）の形で行なわれてきた。
しかしながら、世界には、東南アジアを中心としてＬＮＧ方式が適用できない中小規模のガス田が非常に多く存在している。
ＬＮＧ方式が適用可能なガス田は、超大規模田には好適に適用できるが、このような中小規模のガス田には適用は困難であった。そこで、中小規模のガス田では、産出した天然ガスを周辺地域のみで利用するか、または大気中に放出することが多かった。
近年、ＬＮＧ方式とは異なる天然ガスの貯蔵、輸送方式として、天然ガスをハイドレート化して貯蔵、輸送する方式が、中小規模のガス田にも容易に適用可能な点で注目されている。
ハイドレートを生成する装置としては、水と天然ガスのようなハイドレート生成ガスとを所定圧力、温度でタンク内で攪拌するものが知られている（特許文献１〜４）。
特開２００４−０１０６８６号公報
特開２０００−２６４８５２号公報
特開２０００−３０２７０１号公報
特開２０００−３０９７８５号公報
しかしながら、前記ハイドレート生成装置において、ただ単に水とハイドレート生成ガスとを所定の供給量で供給しただけでは、安定した生成量および転化率でハイドレートを製造することは困難であった。
本発明は、上記問題を解決すべく成されたものであり、安定な生成量および転化率でハイドレートを製造できるハイドレート生成装置の提供を目的とする。
請求項１に記載の発明は、水とハイドレート形成ガスとをタンク内に投入し、所定圧力下で接触させてハイドレートを生成するハイドレート生成装置であって、前記タンク内の水を冷却して循環させ、前記タンク内の水を所定温度に保持する循環水ラインと、前記タンク内の水を循環させる循環水ラインと、前記循環水ラインを循環する水を冷却する熱交換器と、前記タンク内の水位を検出する水位検出手段と、を備え、前記循環水ラインにおいては、タンク内の水面レベルが、予め定められた上限値に達したら循環水ラインを循環する水を前記熱交換器で冷却して前記タンクに戻る水の温度である循環水戻り温度を低下させ、水面レベルが予め定められた下限値に達したら、水面レベルが予め定められた下限値に達する前よりも前記熱交換器による冷却を弱めるか、または前記冷却を停止して循環水戻り温度を上昇させることにより、前記水位検出手段で検出されるタンク内水位が一定になるように循環水戻り温度を制御することを特徴とするハイドレート生成装置に関する。
ハイドレート生成装置におけるハイドレートの生成量およびハイドレート転化率は、供給ガス量、供給水量、攪拌機回転数、タンク内圧力、循環水戻り温度、循環ガス戻り温度、ハイドレート排出スクレーパ回転数などの多くのパラメータに依存する。
これらのパラメータは、設計段階において、実験データ等を基にほぼ最適化された値に設定されるが、実際の運転においては、外乱等の影響のため、必ずしも設定値どおりの状態で安定にハイドレートの生成が行なわれるわけではない。
この安定生成状態は、タンク内水位として最もよく現れる。即ち、ハイドレート生成量およびハイドレート転化率が多すぎると、水量が減って水位が低下し、少なすぎると水位が上昇する。前記パラメータのうち、このハイドレート生成作用に最も影響が大きく、また制御し易いのは、循環水戻り温度である。
前記ハイドレート生成装置では、前記水位検出手段タンク内水位を検出しつつ、前記タンク内水位が一定になるように循環水ラインで循環水戻り温度を制御することにより、安定な生成量および転化率でハイドレートを製造できる。
ハイドレート形成ガスとしては、たとえば天然ガスやメタンガスなどが挙げられるが、常温で気体であって所定の温度および圧力条件下で水とハイドレートを形成する物質であれば、天然ガスやメタンガスには限定されない。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のハイドレート生成装置において、前記水位検出手段が、前記タンク内の高さ方向の温度分布を検出し、予め定められた値以上の高さ方向温度変化を検出した高さを前記タンク内の水位とするハイドレート生成装置に関する。
水とハイドレート生成ガスとからハイドレートが生成する反応は発熱反応であるから、タンク内においてハイドレートが生成すると水よりも温度が高くなる。また、ハイドレートの方が水よりも比重が小さいので、生成したハイドレートは水面に浮かぶ。
したがって、タンク内においては、水とハイドレートとの境界で温度変化が見られる。
前記ハイドレート生成装置においては、温度分布検出手段によってタンク内部の高さ方向の温度分布を測定し、高さ方向の温度変化が検出されたら、その高さを水面高さとすることにより、タンク内の水位を非接触で検出できる。
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載のハイドレート生成装置において、前記水位検出手段は、タンク内の特定の高さにおいて管から気体を放出するときの圧力損失に基いてタンク内の水位を求めるハイドレート生成装置に関する。
前述のようにタンク内においては、生成されたハイドレートは水に比べて嵩密度が充分に低いので、ハイドレートの厚み（高さ）による圧力差（水頭）は、水の深さによる圧力差に比べて充分に低い。
したがって、ハイドレート生成中に、タンク内の特定の高さにおいて管から気体を放出すると、気体を放出した位置から水面までの高さの差に対応する水圧が前記気体に圧力損失として加わる。
故に、タンク内の特定の高さにおいて管から気体を放出したときの圧力損失を測定すれば。前記圧力損失から、気体を放出した位置から水面までの高さの差が求められ、前記差から水位が求められる。
以上説明したように、本発明によれば、安定な生成量および転化率でハイドレートを製造できるハイドレート生成装置が提供される。
１．実施形態１
以下、本発明のハイドレート生成装置の一例につき、説明する。
以下、本発明のハイドレート生成装置の一例につき、説明する。
１−１ 構成
図１に示すように、実施形態１に係るハイドレート生成装置１００は、水と天然ガスとを接触させてハイドレートを生成させる第１生成装置２と、第１生成装置２の下方に位置し、第１生成装置２で生成したハイドレートに更に天然ガスを接触させる第２生成装置４とを備える。
図１に示すように、実施形態１に係るハイドレート生成装置１００は、水と天然ガスとを接触させてハイドレートを生成させる第１生成装置２と、第１生成装置２の下方に位置し、第１生成装置２で生成したハイドレートに更に天然ガスを接触させる第２生成装置４とを備える。
第１生成装置２は、上面が開口し、所定温度および圧力下で水と天然ガスとを接触させるタンク６と、タンク６を内部に収容するとともに、第２生成装置４に連通する外部タンク８と、タンク６において水と天然ガスとを攪拌する攪拌機１０と、攪拌機１０と同軸に設けられ、タンク６内で生成したハイドレートを外部タンク８に導出するハイドレート排出スクレーパ１２とを備える。
外部タンク８は、上面が開口し、タンク６を収容する本体８Ｂと、本体８Ｂの上面開口部を覆蓋する蓋部８Ａとから構成されている。
攪拌機１０は、蓋部８Ａを垂直に貫通する回転軸１０Ｃと、回転軸１０Ｃの下端に設けられた攪拌羽根１０Ａと、回転軸１０Ｃを回転させるモータ１０Ｂとから構成される。一方、ハイドレート排出スクレーパ１２は、攪拌機１０の回転軸１０Ｃと同軸に設けられた回転力伝達装置１２Ａを介してモータ１２Ｂによって攪拌機１０とは別個独立に回転する。
外部タンク８の蓋部８Ａには、更に、タンク６に天然ガスを供給するガス供給ライン１４と、外部タンク８内圧が所定値を越えたら放圧する放圧ライン１６とが設けられている。
外部タンク８の本体８Ｂおよびタンク６には、夫々ジャケット８Ｃおよびジャケット６Ａが設けられ、ジャケット８Ｃおよびジャケット６Ａに所定温度の冷媒を流通させることにより、外部タンク８およびタンク６の内部は所定の温度に保持されている。
タンク６には、外部から水を供給する給水ライン１８と、タンク６内の水を冷却して循環させる循環水ライン２０、およびタンク６内のガスを循環させる循環ガスライン２２が設けられている。
また、タンク６の底部近傍には、所定間隔でガス吹出し孔が穿設されたガス吹出し管２４が水平に設けられている。
更に、タンク６の壁面には、温度計が高さ方向に一定間隔で設けられ、温度分布測定装置３６を構成している。温度分布測定装置３６は、タンク６内部の高さ方向の温度分布を測定する機能を有し、本発明における温度分布検出手段に相当する。温度分布測定装置３６に使用できる温度計は、温度の変化を抵抗や出力電圧、出力電流の変化などの電気信号として出力できるものであればどのようなものであってもよく、具体的には抵抗温度計や熱電対温度計などが挙げられる。
循環水ライン２０の一端は、タンク６の底部に設けられた循環水抜取ライン２６に接続され、他端は、タンク内部に循環水を戻す循環水戻しライン２８に接続されている。循環水戻しライン２８の出口は、タンク６内において水面レベルよりも下方において開口している。
循環水ライン２０には、循環水抜取ライン２６から抜き取った循環水を矢印ａの方向に循環させるポンプＰと、循環水の循環方向ａに対してポンプＰの下流側に位置する熱交換器３０と、熱交換器３０の下流側、即ち循環水戻しライン２８の近傍に位置する温度センサ３２とが介装されている。熱交換器３０は、ＣＰＵ３４によって制御される。
一方、循環ガスライン２２の一端は、外部タンク８の蓋部８Ａに設けられた循環ガス抜取ライン３８に接続され、他端は、ガス吹出し管２４に接続されている。
循環ガスライン２２には、循環ガス抜取ライン３８から抜き取った循環ガスを圧縮して矢印ｂの方向に圧送する圧縮機４０と、圧縮機４０で圧縮された循環ガスを所定の温度に加熱または冷却する熱交換器４２とが介装されている。
タンク６内部でハイドレートが定常的に生成しているときの温度分布測定装置３６で求められたタンク６内部の高さ方向の温度分布を図２に示す。
ハイドレートの生成反応は発熱反応であるから、水相よりもハイドレート相の方が温度が高くなる。したがって、たとえば図２に示すように、水相の温度が１〜２℃のとき、ハイドレート相の温度は３〜５℃と高くなるから、タンク６において、前記温度上昇が生じる高さが水面レベルであると考えられる。したがって、温度分布測定装置３６でタンク６内部の高さ方向の温度分布を求めることにより、タンク６内部の水面レベルを求めることができる。
ハイドレート生成装置１００においては、前述のように、ハイドレートの生成量およびハイドレート転化率は、ガス供給ライン１４からの供給ガス量、給水ライン１８からの供給水量、攪拌機１０の回転数、タンク６内の圧力、循環水戻り温度Ｔ1、循環ガス戻り温度、ハイドレート排出スクレーパ１２の回転数などの多くのパラメータに依存する。しかし、ハイドレートの安定生成状態は、タンク６内の水位として最もよく現れる。即ち、ハイドレート生成量およびハイドレート転化率が多すぎると、水量が減って水位が低下し、少なすぎると水位が上昇する。
前述のように、ハイドレートの生成反応は発熱反応であるが故に、タンク６内の水温が上昇すれば、ハイドレートの生成量および転化率は減少し、したがって水位が上昇する。反対にタンク６内の水温が低下すれば、ハイドレートの生成量および転化率は増大し、したがって水位が低下する。
ここで、タンク６内の水温は、循環水戻り温度Ｔ1を増減させることにより、最も効率的に制御できる。
そこで、タンク６内の水位が一定になるように循環水戻り温度Ｔ1を制御すれば、ハイドレートの生成量および転化率を一定に保持できる。
そこで、ＣＰＵ３４においては、温度分布測定装置３６および温度センサ３２からの入力に基き、以下に示す手順で熱交換器３０を制御している。
循環水戻り温度Ｔ1制御の具体的な方法の一例として次のようなものがある。即ち、温度分布測定装置３６で検出されたタンク６内の水面レベルｈが、予め定められた上限値ｈ1に達したら、ＣＰＵ３４は、熱交換器３０に対して循環水を冷却すべき旨の指令を出力し、温度センサ３２で検出される循環水戻り温度Ｔ1が低下するように熱交換器３０を制御する。そして、水面レベルｈが予め定められた下限値ｈ2に達したら、熱交換器３０における冷却を弱めるか、または停止する。循環水戻り温度Ｔ1の制御方法としては、この他にＰＩＤ制御などの様々な手法を用いることができる。
また、循環水戻り温度Ｔ1が正常値（１〜２℃）を下回った場合においても、熱交換器３０を停止し、循環水ライン２０内部で循環水が凍結しないようにする。
１−２ 作用、効果
第１生成装置２においては、ジャケット６Ａおよびジャケット８Ｃに温度の冷媒を流通させてタンク６および外部タンク８の内部を所定温度に保持しつつ、給水ライン１８からタンク６内に所定量の水を供給し、循環水ライン２０に水を循環させつつ、熱交換器３０で循環水戻り温度Ｔ1を所定の温度に保持する。
第１生成装置２においては、ジャケット６Ａおよびジャケット８Ｃに温度の冷媒を流通させてタンク６および外部タンク８の内部を所定温度に保持しつつ、給水ライン１８からタンク６内に所定量の水を供給し、循環水ライン２０に水を循環させつつ、熱交換器３０で循環水戻り温度Ｔ1を所定の温度に保持する。
そして、攪拌機１０を回転させつつ、ガス供給ライン１４を通して外部タンク８に天然ガスを供給すると、供給された天然ガスは、タンク６内で水と搬送してハイドレートを生成する。生じたハイドレートは、ハイドレート排出スクレーパ１２によって外部タンク８内に排出され、外部タンク８から第２生成装置４に導出される。
一方、第１生成装置２においては、温度分布測定装置３６によってタンク６内の水面レベルｈを求め、前記水面レベルｈが上限値ｈ1および下限値ｈ2の間にあるようにＣＰＵ３４において熱交換器３０を制御することにより、循環水戻り温度Ｔ1を制御する。
実施形態１に係るハイドレート生成装置１００においては、循環水ライン２０で循環水戻り温度Ｔ1を制御することにより、前記タンク内の水面レベルｈ即ち水位を一定に制御しているから、水位の制御が容易である。
また、温度分布測定装置３６によってタンク６内部の高さ方向の温度分布を測定し、高さ方向の温度変化を検出した高さを水面レベルｈとすることにより、タンク６内の水面レベルｈを非接触で検出できる。
２．実施形態２
本発明のハイドレート生成装置の別の例につき、以下に説明する。
本発明のハイドレート生成装置の別の例につき、以下に説明する。
実施形態２に係るハイドレート生成装置１０２の構成を図３に示す。図３において、図１と同一の符号は、前記符号が図１において示す要素と同一の要素を示す。
図３から明らかなように、ハイドレート生成装置１０２は、ハイドレート生成装置１００において、タンク６内の水面レベルを検出する手段として温度分布測定装置３６に代えて圧力損失測定装置４６を用いた構成を有している。
圧力損失測定装置４６は、タンク６内部においてガス吹出し管２４の直上に設けられ、ガスを上方に放出するガス放出管４８と、ガス放出管４８にガスを供給する放出ガス供給ライン５０と、放出ガス供給ライン５０におけるガス放出管４８の入口近傍に設けられた圧力センサ５２とから構成される。ガス放出管４８から放出できるガスとしては窒素ガスなどの不活性ガスが好ましい。
タンク６内において生成したハイドレートは水に比べて嵩密度が充分に低いので、ハイドレートの厚みによる圧力差は、水の深さによる圧力差に比べて充分に低い。
したがって、ガス放出管４８からガスを放出すると、ガスを放出した位置から水面レベルｈまでの高さの差に対応する水圧がガスに圧力損失として加わり、この圧力損失は圧力センサ５２で検出される。
圧力センサ５２は、検出した圧力損失をＣＰＵ３４に入力し、ＣＰＵ３４においては、入力された圧力損失から水面レベルｈを求める。
求めた水面レベルｈに基いて循環水戻り温度Ｔ1を制御する手順は、実施形態１のところで述べたとおりである。
２ 第１生成装置
４ 第２生成装置
６ タンク
６Ａ ジャケット
８ 外部タンク
８Ａ 蓋部
８Ｂ 本体
８Ｃ ジャケット
１０ 攪拌機
１２ ハイドレート排出スクレーパ
１４ ガス供給ライン
１６ 放圧ライン
１８ 給水ライン
２０ 循環水ライン
２２ 循環ガスライン
２４ ガス吹出し管
２６ 循環水抜取ライン
２８ 循環水戻しライン
３０ 熱交換器
３２ 温度センサ
３６ 温度分布測定装置
３８ 循環ガス抜取ライン
４０ 圧縮機
４２ 熱交換器
４６ 圧力損失測定装置
４８ ガス放出管
５０ 放出ガス供給ライン
５２ 圧力センサ
１００ ハイドレート生成装置
１０２ ハイドレート生成装置
４ 第２生成装置
６ タンク
６Ａ ジャケット
８ 外部タンク
８Ａ 蓋部
８Ｂ 本体
８Ｃ ジャケット
１０ 攪拌機
１２ ハイドレート排出スクレーパ
１４ ガス供給ライン
１６ 放圧ライン
１８ 給水ライン
２０ 循環水ライン
２２ 循環ガスライン
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４８ ガス放出管
５０ 放出ガス供給ライン
５２ 圧力センサ
１００ ハイドレート生成装置
１０２ ハイドレート生成装置
Claims (3)
- 水とハイドレート形成ガスとをタンク内に投入し、所定圧力下で接触させてハイドレートを生成するハイドレート生成装置であって、
前記タンク内の水を循環させる循環水ラインと、
前記循環水ラインを循環する水を冷却する熱交換器と、
前記タンク内の水位を検出する水位検出手段と、
を備え、
前記循環水ラインにおいては、タンク内の水面レベルが、予め定められた上限値に達したら循環水ラインを循環する水を前記熱交換器で冷却して前記タンクに戻る水の温度である循環水戻り温度を低下させ、水面レベルが予め定められた下限値に達したら、水面レベルが予め定められた下限値に達する前よりも前記熱交換器による冷却を弱めるか、または前記冷却を停止して循環水戻り温度を上昇させることにより、前記水位検出手段で検出されるタンク内水位が一定になるように循環水戻り温度を制御することを特徴とするハイドレート生成装置。 - 前記水位検出手段は、前記タンク内の高さ方向の温度分布を検出し、予め定められた値以上の高さ方向温度変化を検出した高さを前記タンク内の水位とする請求項１に記載のハイドレート生成装置。
- 前記水位検出手段は、タンク内の特定の高さにおいて管から気体を放出するときの圧力損失に基いてタンク内の水位を求める請求項１に記載のハイドレート生成装置。
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| JP2003252804A (ja) * | 2002-03-04 | 2003-09-10 | Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd | ハイドレート製造方法及び装置 |
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- 2004-09-29 JP JP2004284590A patent/JP4594691B2/ja not_active Expired - Fee Related
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